單彎螺桿造斜能力預測和現場數據驗證

呂加華，鄢　標，饒巖巖，張鵬飛，李漢興，錢利勤，張　強

（1.長江大學機械工程學院，湖北荊州434023；2.成都百施特金剛石鉆頭有限公司，四川成都610000；3.中海油研究總院，北京100000）

單彎螺桿造斜能力預測和現場數據驗證

呂加華*1，鄢標1，饒巖巖2，張鵬飛2，李漢興3，錢利勤1，張強1

（1.長江大學機械工程學院，湖北荊州434023；2.成都百施特金剛石鉆頭有限公司，四川成都610000；3.中海油研究總院，北京100000）

造斜率預測是井眼軌跡控制技術的基礎和重要組成部分，利用幾何相似原理對具有初始結構彎角的梁柱進行了等效處理，綜合考慮井眼幾何參數（井斜角、井眼曲率）、鉆具組合結構參數（彎角、穩定器直徑和位置等）、鉆井參數（鉆壓）等各種影響因素，運用縱橫彎曲法建立單彎螺桿力學模型。以單彎螺桿單穩器鉆具組合為例，分析了螺桿彎角、井眼曲率、鉆壓、穩定器直徑等參數對側向力和極限造斜率的影響。結合須家河組地層的特點，運用極限曲率法計算了造斜率，并結合現場數據對模型進行了驗證，指導鉆具組合設計。

單彎螺桿；極限造斜率；造斜能力

目前須家河組地區主要采用鉆頭+彎螺桿鉆具（帶穩定器）+短鉆鋌的鉆具組合來實現造斜，如何合理設計鉆具組合和準確地預測造斜率是造斜成功的關鍵。常用預測造斜率的方法有經驗法［1］、力學計算法［2-4］、回歸分析法［5］及經驗公式法［6-7］等，影響鉆具組合造斜率的因素很多，比如下部鉆具組合的結構、井眼幾何形狀、鉆井工藝參數、地層特性等。由于單彎螺桿鉆具存在結構彎角，相當于鉆具組合中存在初彎曲，所以如何處理結構彎角是建立力學模型的關鍵。文獻［8-9］用等效橫向集中載荷代替彎角對梁柱撓度的影響，即在彎肘點處施加等效集中載荷代替結構彎角的影響，但這造成了附加力的作用。因此本文運用等效原理處理了單彎螺桿鉆具結構彎角，對支座端面的相對附加轉角進行了處理，建立了連續條件和上切點邊界條件。結合連續條件和上切點邊界條件，建立力學模型，開發軟件分析螺桿彎角、井眼曲率、鉆壓、穩定器直徑等參數對側向力和極限造斜率的影響?？紤]到須家河組地區地層因素影響，預測了工具的造斜率，并通過現場數據進行了驗證。

1　單彎螺桿造斜力學模型

1.1單彎螺桿鉆具結構彎角的等效處理

圖1　單彎螺桿彎角處理

如圖1單彎螺桿彎角為γ，AB長為m1，BC長為m2，由正弦定理得出：

由于單彎螺桿的結構彎角通常不大于3°（α1和α2小于3°）則：

則式（1）可化為：

1.2連續條件和上切點邊界條件

如圖2所示，底部鉆具組合位于井眼曲率為K的圓弧井段中，由文獻［11］考慮井眼曲率的建立連續條件和上切點邊界條件得：

即等效結構彎角：

圖2　BHA力學分析坐標系

式中：βi——支座 i兩鄰跨橫坐標間的夾角，βi=K（Li+Li+1）/2；

βT——上切點井眼切線與末跨x軸的夾角，βT=KLn+1/2。

1.3三彎矩方程的建立

圖3　單彎鉆具組合的彎曲與變形示意圖

如圖3鉆頭為O、穩定器Si和上切點T。鉆頭處彎矩為M0，穩定處彎矩為Mi，切點處彎矩為Mn+1，則［10］第一跨右端轉角為：

將式（7）～式（9）帶入連續條件和上切點邊界條件式（10）～式（13）建立三彎矩方程：

式（10）～式（13）中：X（u）、Y（u）、Z（u）、——系數；

K——井眼曲率；

m——系數，當i=2時取1，其他取0；

Mn+1——上切點彎矩，Mn+1=EIK；

q1——線重；

Li——第i跨的長度；

ei——鉆頭直徑、穩定器直徑和上切點鉆具直徑與井徑差值的一半。

1.4鉆頭側向力和造斜率的計算（見圖4）

圖4　鉆頭側向力和造斜率計算模型

基于理論分析和鉆井實踐，根據極限曲率法［12］計算工具造斜造斜率KTα。

式中：KC——極限曲率；

AB——修正系數，通過該區塊的現場數據與極限曲率對比獲得。

在確定工具的實際造斜能力KTα后對井斜角進行預測：

利用MATLAB開發單彎單穩定器力學分析模塊，開展單彎螺桿鉆具組合力學分析和造斜率預測。

2　單彎螺桿的側向力影響因素分析

2.1單彎螺桿鉆具組合力學分析基本參數

本文以?172mm單彎螺桿鉆具和單穩定器鉆具組合為例，基于上述理論對其進行力學分析，計算參數如下：

鉆頭直徑：?215.9mm；螺桿外徑：?172mm；螺桿彎角：2.5°；鉆頭至下穩定器中心距離：0.9m；下穩定器中心至彎角距離：1.331m；彎角到螺桿頂端距離：5.331m；鉆鋌外徑：?165.1mm；鉆鋌內徑：?71.4mm；穩定器直徑：?213mm；工具面角：0°；井斜角：90°；鉆壓：90kN；鉆井液密度：1.29g/cm3。

2.2側向力影響因素分析

采用控制變量法來分析穩定器直徑和井眼曲率對鉆頭側向力的影響。

（1）穩定器直徑對鉆頭側向力的影響。由圖5可知，隨著穩定器直徑增加，鉆頭側向力增加，而且這種變化基本呈線性關系，對單彎螺桿鉆具的鉆頭側向力影響尤為顯著。因此，這一結論對現場選擇穩定器直徑來調節BHA的造斜能力具有指導意義。

（2）井眼曲率對鉆頭側向力的影響。由圖6可知，隨著井眼曲率的增加，鉆頭側向力逐漸降低，當超過某一井眼曲率后，側向力將為負值，即為降斜。

3　單彎螺桿的極限造斜率影響因素分析

（1）井斜角對極限造斜率的影響。由圖7可知，由于管柱重力作用，工具的極限造斜率隨井斜角的增加而增加。

（2）鉆壓對極限造斜率的影響。由圖8可知，當鉆壓變化幅度較大時，極限造斜率的變化幅值較小，這一結論表明，通過調整鉆壓來調整鉆具的造斜能力是有限的。

圖5　穩定器直徑對鉆頭側向力的影響

圖6　井眼曲率對鉆頭側向力的影響

圖7　井斜角對極限造斜率的影響

4　現場驗證

須家河地區某區塊地層滑動鉆井實鉆井眼軌跡及底部鉆具組合如表1所示，通過編程輸入鉆具組合參數，修正系數取0.62，提取不同井斜角下理論計算極限曲率，計算結果與全角變化率對比如表1所示，對比結果表明，最大誤差為9.07%。

圖8　鉆壓對極限造斜率的影響

5　結論

（1）采用幾何相似，等效處理單彎螺桿結構彎角，運用縱橫彎曲法建立力學模型，并分析結構彎角、穩定器直徑、穩定器到鉆頭的距離、鉆壓以及井斜角等影響因素對鉆頭側向力和極限造斜率的影響；

（2）結合現場地層特點，利用極限曲率法修正極限造斜率，預測井斜角的變化。將預測結果與實際計算結果對比，驗證模型的正確性，為現場鉆具組合優化設計提供理論依據和指導。

表1　某井鉆具組合、鉆井參數及使用效果表

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［7］梁奇敏.叢式井定向鉆井造斜工具面的優化控制分析［J］.石油機械，2013（9）：41-43.

［8］唐雪平，陳祖錫，汪光太，等.中短半徑水平井彎殼螺桿鉆具造斜率預測方法研究［J］.鉆采工藝，2000（3）：15-20.

［9］范濤春.中短半徑水平井螺桿鉆具力學性能分析［D］.中國石油大學（北京），2007.

［10］衛增杰.中短半徑水平井螺桿鉆具力學性能分析［D］.西南石油學院，2005.

［11］唐雪平，蘇義腦，葛云華，等.旋轉導向鉆具組合力學分析［J］.力學與實踐，2013（1）：55-59.

［12］蘇義腦.極限曲率法及其應用［J］.石油學報，1997（3）：112-116.

TE921.2

A

1004-5716（2016）04-0079-04

2015-04-07

2015-04-14

重大專項子課題“高扭矩馬達關鍵技術研究及樣機開發”2011ZX05024-003-03。

呂加華（1991-），男（漢族），安徽安慶人，長江大學機械工程學院在讀碩士研究生，研究方向：井下工具的設計、診斷及動態仿真。

簡介：錢利勤（1982-），女（漢族），江蘇蘇州人，講師，現從事機械及仿真分析研究工作。